NASKAH PUBLIKASI
ANALISA POLA ALIRAN PADA BODI MOBIL ESEMKA RAJAWALI STANDAR DENGAN ESEMKA RAJAWALI MODIFIKASI MENGGUNAKAN CFD (Computational Fluid
Dynamic) PADA SOFTWARE ANSYS 15.0
Naskah publikasi ini disusun sebagai syarat Untuk mengikuti Ujian Tugas Akhir
Pada Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta
Disusun oleh : AGUNG WAHYU JATMIKO
NIM : D 200 10 0013
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
iii
ANALISA POLA ALIRAN PADA BODI MOBIL ESEMKA RAJAWALI STANDAR DENGAN ESEMKA RAJAWALI MODIFIKASI MENGGUNAKAN
CFD (Computational Fluid Dynamic) PADA SOFTWARE ANSYS 15.0
Agung Wahyu Jatmiko
Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura
Email : agungwahyu13j@gmail.com
ABSTRAKSI
Salah satu pengembangan dalam suatu mobil adalah desain bodi mobil. Desain mobil tidak hanya ditinjau dari factor estetika (keindahan), namun juga berdasarkan bentuk keaerodinamisan bodinya. Penelitian tugas akhir bertujuan untuk mengetahui perbedaan pola aliran, koefisien drag (CD) dan koefisien lift (CL) pada
bodi mobil ESEMKA RAJAWALI standar dengan bodi mobil ESEMKA RAJAWALI modifikasi.
Penelitian ini dilakukan dengan merubah geometri sudut kap dengan kaca bodi mobil standar dengan sudut 156o menjadi 165o, dan merubah bemper depan yang memiliki sudut 90o menjadi 65o. Desain pembuatan bodi mobil menggunakan software solidworks 2014. Dan disimulasikan menggunakan CFD pada software Ansys 15.0
Dari hasil simulasi CFD didapatkan perbedaan pola aliran dan nilai-nilai tekanan pada bodi mobil masing-masing bodi mobil. Berdasarkan hasil simulasi perhitungan coefficient drag dan coefficient lift pada bodi mobil ESEMKA RAJAWALI modifikasi lebih kecil dari bodi mobil ESEMKA RAJAWALI standar.
iv
ANALISA POLA ALIRAN PADA BODI MOBIL ESEMKA RAJAWALI STANDAR DENGAN ESEMKA RAJAWALI MODIFIKASI MENGGUNAKAN
CFD (Computional Fluid Dynamic) PADA SOFTWARE ANSYS 15.0
Agung Wahyu Jatmiko
Mechanical Engineering Muhammadiyah University of Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura
Email : agungwahyu13j@gmail.com
ABSTRACTION
One development in a car is a car body design . Car design factor not only in terms of aesthetics ( beauty ) , but also by the shape of its body aerodynamics . Thesis research aims to determine differences in the flow pattern , the coefficient of drag ( CD ) and the lift coefficient ( CL ) on the car
body with a standard ESEMKA RAJAWALI and ESEMKA RAJAWALI car body modifications.
This research was done by changing the geometry of the corner of the hood with glass body with a standard car into a 156o angle of 165o , and change the front bumper has become a 90o angle 65o . Manufacture of car body design using SolidWorks 2014 software and simulated using the software Ansys CFD 15.0
CFD simulation results obtained from differences in patterns of flow and pressure values on each car body car body . Based on the results of the simulation calculations drag coefficient and lift coefficient on the car body modification ESEMKA RAJAWALI smaller than standard ESEMKA RAJAWALI car body .
1 PENDAHULUAN
Salah satu acuan pengembangan suatu mobil adalah pada bentuk bodi. Perkembangan tersebut dimaksutkan untuk mencari bentuk bodi yang lebih aerodinamis sehingga mendapat bodi yang lebih kecil tahanannya. Setiap saat bodi mobil selalu mengalami perubahan, selain untuk menyesuaikan perkembangan zaman namun bodi mobil juga dikembangkan dalam hal tahanannya.
Banyak penelitian tentang riset bentuk bodi kendaraan terhadap pola aliran, salah satunya penelitian yang dilakukan oleh Muhammad Ridwan Nofianto (2014). Pada penelitian tersebut peneliti mencari perbedaan pola aliran dan tahanan yang ada pada mobil menyerupai TOYOTA AVANZA dengan perbedaan bodi standar dan modifikasi. Perbedaan pada kedua bodi terletak pada sudut bemper mobil tersebut, pada mobil standar sudut kemiringan bemper sebesar 7,9o, sedangkan pada bodi modifikasi kemiringannya 6,2o. Kesimpulan dari penelitian ini adalah perbedaan bodi dapat mempengaruhi perbedaan pola aliran juga tahanan yang ada ikut berubah.
Pada penelitian ini penulis memilih mobil dari PT. Solo Manufaktur Kreasi (ESEMKA) sebagai objek penelitian, mobil dalam penelitian ini adalah ESEMKA RAJAWALI. Pada bagian bemper, kap dan kaca mobil menurut penulis memerlukan perubahan untuk mendapat bodi yang lebih efisien dan lebih aerodinamis. Maka dalam penelitian ini penulis mencari perbandingan antara aliran udara di antara model mobil ESEMKA RAJAWALI dan model ESEMKA RAJAWALI modifikasi dan menganalisa karakteristik profil bodi pada kedua model tersebut.
TUJUAN PENELITIAN
Tujuan dari penelitian ini dimaksudkan untuk :
1. Mengetahui perbedaan pola aliran antara mobil ESEMKA RAJAWALI standar dan ESEMKA RAJAWALI modifikasi.
2. Mengetahui coefficient drag (CD),
dan coefficient lift (CL) pada mobil
ESEMKA RAJAWALI standar dan modifikasi.
BATASAN MASALAH
Untuk menghindari melebarnya masalah maka perlu adanya pembatasan masalah sebagai berikut : 1. Eksperimen dibatasi hanya untuk
mengetahui karakteristik perilaku aerodinamika pada bodi mobil ESEMKA RAJAWALI.
2. Desain mobil dibuat menggunakan SolidWorks 2014 menyerupai model mobil ESEMKA RAJAWALI dengan dimensi asli.
3. Metode penelitian komputasi hanya dibatasi dalam keadaan steady.
TINJAUAN PUSTAKA
Munawir (2012), melakukan studi membandingkan tahanan pada bodi mobil “Mesin USU” menggunakan CFD dengan perbedaan bodi standar dan modifikasi. Dari pengamatan analisis tersebut diperoleh koefisien drag lebih rendah pada Mesin USU modifikasi dibandingkan Mesin USU standar, dan di dapat pola aliran yang lebih baik pada Mesin USU modifikasi.
2 Proto modifikasi memiliki pola aliran yang lebih baik dari Mataram Proto standar. Sedangkan dalam hal tahanan untuk koefisien dragMataram Proto modifikasi memiliki nilai koefisien drag lebih rendah.
Hamidi (2011), melakukan studi dengan mencari pola aliran dan koefisien drag pada mobil hemat energi Kalabiya. Tujuan dari penelitian ini adalah mencari tahanan bodi yang lebih kecil sehingga mendapat bodi yang efisien. Dalam studi ini hanya bermaksut mencari koefisien drag dan kontur tekanan pada bodi mobil Kalabiya. Dari penelitian tersebut didapatkan koefisien drag 0,476 pada mobil kalabiya, sehingga koefisien drag dikatakan sudah bagus untuk sebuah mobil.
pada penelitian ini akan melakukan penelitian pola aliran pada ESEMKA RAJAWALI dengan berbedaan bodi yaitu pada bagian bemper depan dan sudut antara kaca dengan kap mobil, nilai sudut antara kap dan kaca mobil 156o untuk ESEMKA standar sedangkan 165o untuk ESEMKA modifikasi. Dipilih bagian depan karena menurut penulis bagian depan bodi standar terlalu banyak tahanan yang terjadi.
LANDASAN TEORI Coefficient Drag
Koefisien Drag adalah bilangan yang menunjukkan besar kecilnya tahanan fluida yang diterima oleh suatu benda. Harga koefisien drag yang kecil menunjukkan hambatan fluida yang diterima benda saat berjalan adalah kecil, dan begitu juga sebaliknya.
)
Koefisien Lift adalah gaya resultan yang tegak lurus terhadap arah
Pendekatan Komputasi CFD
3 METODOLOGI PENELITIAN
Diagram alir penelitian
Gambar 1. Diagram alir penelitian
Studi literatur mencari mengenai penelitian yang serupa berupa jurnal-jurnal penelitian maupun teori yang menyangkut penelitian tersebut, sehingga akan memiliki perbedaan variabel dari penelitian yang pernah dilakukan sebelumnya.
Persiapan Alat
Dalam tugas akhir ini alat yang digunakan hanyalah komputer (PC) yang mempunyai spesifikasi mumpuni dalam hal rancangan desain dan simulasi.
Berikut merupakan data spesifikasi komputer yang digunakan untuk analisis melalui program Ansys 15.0 CFD:
- Processor : Genuine Intel(R) Core (TM) i5 @2,40 GHz
- Memory : 4096 RAM
- VGA : NVidia GeForce 310 M
- OS : Microsoft Windows 7 Professional 64-bit (6.1, Build 7601)
Gambar Reserve
Gambar reserve adalah gambar acuan untuk membuat model mobil ESEMKA RAJAWALI standar.
Gambar 2. Foto mobil ESEMKA RAJAWALI
Selain menggunakan gambar asli pembuatan model mobil juga menggunakan sketsa mobil untuk memudahkan proses pemodelan.
Pembuatan Desain
Dalam pembuatan desain ESEMKA model A (standar) dan ESEMKA model B (modifikasi) menggunakan software solidworks 2014 dengan mengubah format menjadi IGES(*IGS).
4 Gambar 3. ESEMKA model A
Sedangkan dalam pembuatan desain perbedaan dibuat pada bemper depan dan pada titik antara kap dengan kaca mobil. Gambar 4 menunjukkan perbedaan pada desain modifikasi.
Gambar 4. ESEMKA model B
Verifikasi software
Verifikasi software sangatlah penting dalam penelitian CFD seperti ini, sebagai bukti bahwa percobaan komputional tidak jauh berbeda dengan percobaan analitis maka diperlukan adanya verifikasi software. Dalam percobaan ini verifikasi dilakukan dengan membandingkan hasil dari
komputasi dengan perhitungan analitis menggunakan persamaan bernoulli.
Tabel 1. Perbedaan Perhitungan tekanan.
Perhitungan CFD Analitis
124,999 (Pa) 126,4673 (Pa)
Selisih tekanan dari 2 perhitungan = 1,16%
Simulasi Streamline a. Import File
Dalam penelitian ini langkah awal simulasi adalah import file desain mobil kedalam Ansys 15.0. sebelum diimport pastikan file berformat IGES (*IGS) dimaksutkan supaya file dapat terbaca dalam software Ansys 15.0.
b. Boundary Condition
Boundary condition disini ditentukan dengan domain L = 28295 mm, W = 3000 mm, Dan H= 3326 mm.
Gambar 5. Computional domain
c. Proses Meshing
5 mm sedangkan bodi mobil 45 mm. Gamabar 6 menunjukkan perbedaan grid meshing
Gambar 6. Perbedaan grid mesh Selain perbedaan grid, pada bodi mobil ditentukan tebal bodi dengan inflation mesh 5 mm, ditunjukkan pada gambar 7.
Gambar 7. Proses meshing bodi d. Setup Kondisi Batas pada
Boundary
Kondisi batas yang dipakai pada daerah perhitungan dibagi atas wall gear, wall down, inlet, outlet, wall side, symmetry, dan wall up. Pada kebutuhan domain bagian inlet ditempatkan dibagian depan (upstream) pada mobil.
Gambar 8. Posisi kondisi batas untuk domain komputasi
e. Proses Solver
Pada tahap solver, persamaan yang dilibatkan dalam simulasi CFD akan diselesaikan secara interative sampai mencapai nilai yang konvergen. Dalam CFX didasarkan pada volume hingga (finite volume) dan menyediakan pilihan solver dan pengaturan. Pengaturan yang dipilih untuk penelitian ini. Hasil dari perhitungan solver dan Tingkat akurasi dari solver ditentukan oleh tingkat keakuratan dari kondisi batas atau asumsi yang digunakan dan pemilihan grid yang baik pada proses meshing.
f. Simulasi Hasil Solving
Pada tahap ini mengandung kemampuan grafis yang dibutuhkan untuk menampilkan hasil perhitungan termasuk kemampuan visual yang lain seperti animasi. Hasil dari simulasi CFD ini dapat berupa plot vector kecepatan, kontur distribusi tekanan, particle tracking, dan besarnya gaya-gaya streamline.
HASIL DAN PEMBAHASAN Data Profil Mobil ESEMKA RAJAWALI
6 Gambar 9. ESEMKA model A dan B
Hasil Simulasi Kondisi Steady
Simulasi dalam kondisi aliran steady state menurut definisi adalah aliran yang terjadi dititik manapun bila kondisi seperti kecepatan, tekanan, dan kondisi lintasan partikel didalam fluida yang kondisinya tidak berubah terhadap waktu dan kondisi steady diasumsikan telah tercapai setelah interval waktu yang relative lama. Oleh karna itu kondisi steady tidak memerlukan informasi real time untuk menggambarkan kondisinya. Dari data diatas dapat disimpulkan bahwa jumlah elemen fluida yang ada didalam perhitungan komputasi pada model ESEMKA RAJAWALI A sebanyak 1573670 dan model ESEMKA RAJAWALI B sebanyak 1418642. Dengan menggunakan simulasi steady percobaan dilakukan dalam tiga kecepatan berbeda pada ke-dua model mobil dan dicari perbedaan dari kedua model mobil tersebut.
Pola Aliran Di Sekeliling Mobil
Karena pengujian dilakukan dalam tiga kecepatan berbeda maka pola aliran dalam model mobil ESEMKA
RAJAWALI memiliki polanya masing-masing.
a. Kecepatan 11 m/s
Pada kecepatan rendah (11 m/s), ESEMKA model A terlihat lebih aerodinamis terbukti dengan pola aliran yang terjadi pada bemper depan terlihat terjadi separasi aliran yang besar dibandingkan dengan ESEMKA model B. Sedangkan untuk bagian kap dan kaca depan ke-dua pola aliran disekitar mobil cenderung mengikuti bentuk bodi tanpa membuat separasi. Perbedaan ditunjukkan pada gambar 10.
7 Gambar 11. Kontur tekanan 11 m/s
Pada gambar 12 menunjukkan bahwa ESEMKA model A memiliki vektor kecepatan yang lebih kecil dari ESEMKA model B yaitu 6,06605 m/s sedangkan model B 9,72416 m/s dikarenakan pada model A terjadi tekanan yang besar yang menyebabkan aliran membentur bodi dan memperkecil kecepatannya.
Gambar 12. Vektor 11 m/s b. Kecepatan 19 m/s
Pada kecepatan 19 m/s pola aliran yang terjadi pada bemper mengalami pemisahan yang cukup besar pada ESEMKA model A
dibandingkan dengan ESEMKA model B. Namun pada kecepatan 19 m/s terjadi perbedaan antara pola aliran pada kap dan kaca mobil, pada ESEMKA model A pola aliran terlihat tidak membentur bodi sedangkan pada ESEMKA model B pola aliran selalu merapat dengan bodi. Perbedaan pola aliran ditunjukkan dari gambar 13.
Gambar 13. Pola aliran 19 m/s
8 Kontur tekanan pada gambar 14 menunjukkan kecepatan 19 m/s. Pada bagian nomer satu memiliki nilai tekanan 253,909 Pa untuk ESEMKA model A,249,813 Pa pada ESEMKA model B. Dan untuk bagian nomer dua ESEMKA model A memiliki tekanan 104,07 Pa namun untuk ESEMKA model B hanya 72,7328 Pa.
Pada kecepatan 19 m/s vektor kecepatan pada ESEMKA model A 10,6147 m/s dan 16,9411 m/s untuk ESEMKA model B pada bagian antara kap dan kaca mobil. Gambar 15 menunjukkan perbedaanya.
Gambar 15. Vektor 19 m/s
c. Kecepatan 27 m/s
Pada kecepatan 27 m/s ini pola aliran pada bemper ESEMKA model B lebih besar terjadi pemisahan aliran dibanding ESEMKA model A, begitu juga pada bagian kap dan kaca pola aliran pada ESEMKA model B terlihat tidak menempel pada bodi mobil, sedangkan ESEMKA model A pola aliran masih mendekati bodi kap dan kaca. Dan pada ESEMKA model B aliran pada
bawah bodi lebih sedikit dari pada ESEMKA model A. Perbedan ditunjukkan gambar 16.
Gambar 16. Pola aliran 27 m/s Pada kecepatan 27 m/s kontur kecepatan pada bagian nomor satu memiliki nilai 514,81 Pa pada ESEMKA model A dan 512,584 Pa pada ESEMKA model B. Pada bagian nomer 2 kontur tekanan pada ESEMKA model A memiliki nilai 212,529 Pa dan pada ESEMKA model B nilainya 148,778 Pa. Perbedaan ditunjukkan gambar 17.
9 Pada kecepatan 27 m/s vektor kecepatan untuk ESEMKA model A 15,1993 m/s, sedangkan pada ESEMKA model B kecepatannya 24,1985 m/s. Perbedaan yang terjadi disebabkan karena pada titik antara kap dan kaca mobil model A memiliki tekanan pada titik itu sehingga vektor di titik tersebut memiliki lebih sedikit kecepatan dibanding ESEMKA model B. Perbadaan ditunjukkan pada gambar 18.
Gambar 18. Vektor 27 m/s
PerhitunganDrag Coefficient dan Lift Coefficient
Pada penelitian ini percobaan menggunakan kecepetan udara yang berbeda, yang di bedakan menjadi kecepatan pelan (11 m/s), sedang (19 m/s) dan tinggi (27 m/s). Dari data dari tabel 4.1 di atas maka dapat dihitung coefficient drag dan coefficient lift sebagai berikut:
Perhitungan Coefficient Drag
A
Dari perhitungan coefficient drag ESEMKA model A dan ESEMKA model B diperoleh data sebagai berikut:
Tabel 3. Hasil coefficient drag
Kecepatan
Grafik 1. Coefficient drag
Perhitungan Lift Coefficient
A
kecepatan udara (m/s)
Grafik coefficient drag
10 Hasil dari perhitungan coefficient lift pada ESEMKA model A dan ESEMKA model B didapatkan:
Tabel 4. Hasil coefficient lift
Kecepatan
Grafik 2. Coefficient lift
Kesimpulan
Dari hasil pengujian dan analisa pada bodi mobil ESEMKA RAJAWALI model A dan B menggunakan software Ansys 15.0 dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Pola aliran pada tiga kecepatan pengujian dapat disimpulkan bahwa pada mobil ESEMKA RAJAWALI standar memiliki pola yang lebih efektif pada kecepatan rendah (11 m/s) dan sedang (19 m/s), namun pada kecepatan tinggi (27 m/s) ESEMKA RAJAWALI modifikasi memiliki pola aliran yang lebih
aerodinamis dari ESEMKA RAJAWALI standar.
2. Dari hasil perhitungan dalam penelitian ini di dapatkan coefficient drag pada kecepatan 11 m/s, 19 m/s dan 27 m/s berturut-turut untuk model A 0,458; 0,461dan 0,469. Sedangkan untuk coefficient lift didapat 0,222; 0,213 dan 0,215. Kemudian untuk model B coefficient drag diperoleh 0,389; 0,398 dan 0,405. Untuk coefficient lift diperoleh 0,195; 0,196 dan 0,199. Dari data ini dapat disimpulkan bahwa bodi mobil model B (modifikasi) lebih kecil tahanannya.
Saran
Berdasarkan hasil penelitian penulis, untuk penelitian selanjutnya dari penelitian aerodinamika menggunakan software adalah sebagai berikut:
1. Dalam aspek alat penelitian sebaiknya menggunakan komputer dengan spesifikasi yang memang diperuntukkan untuk desain dan simulasi.
2. Aspek penting dalam penelitian komputasi adalah meshing, dalam proses ini penelitian harus sangat teliti.
3. Untuk penelitian selanjutnya, perbandingan pola aliran, bodi mobil dan tahanan dengan simulasi 3D. 0,185 0,19
kecepatan udara (m/s)
Grafik coefficient lift
ESEMKA RAJAWALI standar
DAFTAR PUSTAKA
Azwir, Hail. 2014. “Analisa Computional Fluid Dynamic Body Kendaraan
Mataram Proto Dengan Perangkat Lunak Ansys Fluent 14.5”. IST
AKPRIND Yogyakarta.
Hamidi, Abdullah M. 2011. “Analisis Aliran Fluida Pada Kalabiya
Menggunakan CFD”. Universitas Indonesia.
Novianto, Ridwan M. 2014. “Simulasi Perilaku Aerodinamika dalam
Kondisi Steady dan Unsteady pada Mobil menyerupai Toyota Avanza dengan CFD”. Universitas Muhammadiyah Surakarta. Siregar, Rosyadi Munawir. 2012. “Analisis Koefisien Drag Pada Mobil
Hemat Energi “Mesin USU” Dengan Menggunakan Perangkat
Lunak CFD”. Universitas Sumatra Utara.
